JPH0965217A - 固体撮像装置およびその駆動方法 - Google Patents

固体撮像装置およびその駆動方法

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JPH0965217A
JPH0965217A JP7213546A JP21354695A JPH0965217A JP H0965217 A JPH0965217 A JP H0965217A JP 7213546 A JP7213546 A JP 7213546A JP 21354695 A JP21354695 A JP 21354695A JP H0965217 A JPH0965217 A JP H0965217A
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Tsunehiro Morimoto
倫弘 森本
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NEC Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 消費電力を増大することなくダイナミックレ
ンジの拡大、低雑音化を図ることのできる固体撮像装置
およびその駆動方法を実現すること。 【解決手段】 垂直オーバーフロードレイン構造を有す
る固体撮像装置において、光電変換された電荷をフォト
ダイオードに蓄積している期間内で、半導体基板に印加
された電圧を段階的に下げていく。 【効果】 入射光強度に対するダイナミックレンジの拡
大を、垂直CCDレジスタにおける高速転送を行なうこ
となく実現できるので、低消費電力化が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、CCD型固体撮像装置
およびその駆動方法に関し、特に、入射光強度に対する
ダイナミックレンジを拡大するための半導体基板への電
圧の印加方法とそれに適した固体撮像装置に関する。
【0002】
【従来の技術】図11は、従来のインターライン転送型
CCD撮像装置の構成図である。インターライン転送型
CCD撮像装置は、複数のフォトダイオード101と、
フォトダイオード101からの電荷を受け取って垂直方
向に転送する垂直CCDレジスタ102と、垂直CCD
レジスタ102からの電荷を受け取って水平方向に転送
する水平CCDレジスタ103と、水平CCDレジスタ
103により転送されてきた電荷を検出する電荷検出部
104と、出力増幅器105により構成される。一点鎖
線で囲まれた部分は単位画素106である。
【0003】次に、単位画素106の構成を説明する。
図12は、単位画素106を図11における水平方向に
切断したときの構造を示す断面図である。
【0004】N型半導体基板111の一主面上にP型不
純物ウェル層112が形成されている。その内部にフォ
トダイオード101を構成するN型不純物層113、お
よびその表面に暗電流の発生を抑制するためのP+型不
純物層114が形成されている。また、垂直CCDレジ
スタ102を構成するN型不純物層115、およびその
下部にP型不純物層116が形成されている。
【0005】フォトダイオード101と垂直CCDレジ
スタ102との間には、P+型素子分離層117、およ
びフォトダイオード101から垂直CCDレジスタ10
2へ電荷を転送するための読み出しゲート領域118が
設けられている。なお、読み出しゲート領域118の基
板表面近傍には、しきい値電圧を調節するために追加の
不純物層(図示しない)が形成される場合もある。
【0006】半導体基板111の一主面上には、二酸化
シリコン膜やシリコン窒化膜などからなる絶縁膜119
が形成されており、その上にポリシリコン膜などからな
る垂直転送電極120が形成されている。なお、垂直転
送電極120の一部は、読み出しゲート領域をオン/オ
フするための制御電極としても機能している。さらにそ
の上には二酸化シリコン膜などからなる絶縁膜(図示し
ない)を介して、タングステン膜やアルミニウム膜など
からなる遮光膜(図示しない)が形成されている。さら
にその上には、二酸化シリコン膜などからなるカバー膜
(図示しない)が形成されている。
【0007】ところで、近年の固体撮像装置では、画素
の高密度化に伴うフォトダイオード面積の縮小によるフ
ォトダイオードへの入射光量の減少を補うため、フォト
ダイードの上部にマイクロレンズを形成し、疑似的にフ
ォトダイオードの開口面積を大きくして感度を向上させ
ることが行なわれている。しかし、その反面、フォトダ
イオード容量が同一のもとでは、フォトダイオードがよ
り弱い入射光強度で飽和してしまう。すなわち、入射光
強度に対するダイナミックレンジが狭いという問題があ
る。これを改善する方法として、アイイーイーイー ト
ランザクシヨンズ オン エレクトロン デバイスィー
ズ (IEEE TRANSACTIONS ON E
LECTRON DEVICES) VOL.ED−3
2,NO.8, 1985 の1511〜1513頁に
記載された方法がある。以下に、上記の文献に基づき、
入射光強度に対するダイナミックレンジを拡大する従来
の駆動方法について説明する。
【0008】図13は、図12に示した従来の固体撮像
装置における駆動方法を示す図であり、垂直転送電極1
20に印加されるクロックパルス波形、およびN型半導
体基板111に印加される電圧波形のタイミング図であ
る。
【0009】なお、P型不純物ウェル層112は接地さ
れており、各電圧はこの電位を基準に表されている。ま
た、図14(a)〜図14(d)は、それぞれ図13の
時刻t1〜t4におけるフォトダイオード101および
垂直CCDレジスタ102内の電荷の蓄積状態を示す模
式図である。フォトダイオードで光電変換された電荷を
蓄積している垂直有効期間Pef内の任意の時刻t1で
は、図14(a)に示すように、フォトダイオードのみ
に電荷Q1が蓄積されている。なお、この時、垂直CC
Dレジスタでは、1フィールド前にフォトダイオードか
ら垂直CCDレジスタに読み出された電荷の転送が行な
われている。この転送は、例えば15.7kHzの周波
数で行なわれ、ここではこの転送を標準転送と呼ぶこと
にする。
【0010】垂直ブランキング期間Pblの初期t2で
は、図14(b)に示すように、垂直転送電極120に
読み出しパルスVrlが印加され、フォトダイオード内
に蓄積されていた電荷の一部Q2が垂直CCDレジスタ
へ読み出される。なお、読み出されずにフォトダイオー
ド内に残っている電荷をQ3とする。その後、垂直ブラ
ンキング期間の読み出しパルスVr1とVr2との間の
期間Pknの任意の時刻t3では、図14(c)に示す
ように、新たに光電変換された電荷Q4がQ3に重畳し
て蓄積される。なお、この時、垂直CCDレジスタで
は、時刻t2で読み出された電荷Q2が、イメージ領域
上部や下部に設けられたドレイン(図示しない)に、2
MHzの高速転送により掃き出される。
【0011】垂直ブランキング期間の末期t4では、図
14(d)に示すように、垂直転送電極120に読み出
しパルスVr2が印加され、フォトダイオード内に蓄積
されていた全ての電荷(Q3+Q4)が垂直CCDレジ
スタ102へ読み出される。読み出された電荷は、次の
フィールドの垂直有効期間に順次水平CCDレジスタ1
03へ転送され、電荷検出部104、および出力増幅器
105を経て出力される。
【0012】図15は、図13に基づくダイナミックレ
ンジの拡大駆動を行なった場合の光電変換特性の模式図
である。比較のために、一般的な駆動を行なった場合の
特性も合わせて示している。
【0013】なお、通常、フォトダイオードの飽和容量
よりも垂直CCDレジスタの飽和容量の方が多少大きく
設定されるので、本来はフォトダイオードが飽和しても
出力が多少上昇するが、ここでは説明を容易にするため
にフォトダイオードの飽和後は出力が一定値V1になる
と仮定している。また、図面は省略するが、一般的な駆
動では、垂直ブランキング期間内の任意の時刻に、フォ
トダイオード内のすべての電荷を垂直CCDレジスタに
一度だけ読み出す。
【0014】図15に示すように、一般的な駆動を行な
った場合には、入射光強度L1においてフォトダイオー
ドが丁度飽和し、そこをニーポイントK1として、それ
以上の光強度領域に対しては一定の出力V1となってい
る。換言すれば、入射光強度L1までしか1対1対応の
出力が得られず、L1以上の入射光強度に対する出力か
ら入射光強度を求めることはできない。つまり、入射光
強度に対するダイナミックレンジはL1までしかない。
【0015】一方、ダイナミックレンジの拡大駆動を行
なった場合の曲線のニーポイントK2は、一般的な駆動
を行なった場合のニーポイントK1よりも、より弱い入
射光強度に対応している。入射光強度L2に対応した出
力V2は、読み出しパルスVr1が印加された時にフォ
トダイオードに蓄積できる最大の電荷量に相当する。ま
た、入射光強度L2〜L3の範囲の曲線の傾きは、入射
光強度L2以下の範囲の曲線の傾きに比べて、図13に
示すPkn/(Pef+Pkn)の比率分だけ小さくな
る。
【0016】上記のように、入射光強度の大きな範囲に
おける傾きを小さくすることで、一般的な駆動の場合に
比べて、より大きな入射光強度に対しても1対1対応の
出力が得られるようになっている。すなわち、入射光強
度に対するダイナミックレンジが拡大されており、例え
ば、図15の場合には、入射光強度L3までダイナミッ
クレンジが拡大されている。
【0017】また、ダイナミックレンジを拡大する他の
方法として、特開平1−253960号公報に開示され
た方法がある。この方法は、フォトダイオードが飽和す
る入射光強度以上の領域では、飽和以上の出力電圧成分
が基板へ流れる光電流の対数に比例することを利用する
もので、入射光量がフォトダイオード飽和領域以下、飽
和領域以上であるかによって出力の光電変換特性を切り
換えている。
【0018】
【発明が解決しようとする課題】上述した、アイイーイ
ーイー トランザクションズ オン エレクトロン デ
バイスイーズ(IEEE TRANSACTIONS
ON ELECTRONDEVICES) VOL.E
D−32,NO.8, 1985 の1511〜151
3頁に記載された方法では、垂直ブランキング期間内の
初期に読み出した一部の電荷を高速転送によりドレイン
へ掃き出す必要があるため、消費電力が増大するという
問題がある。
【0019】上記文献によれば、高速転送は2MHz
で、1フィールド期間(1/60sec)あたり800
μsecの期間行なわれる。また、NTSC対応固体撮
像装置で2:1インターレース駆動を行う場合の標準転
送周波数は約15.7kHzであり、1フィールド期間
あたり約15.5msecの期間行なわれる。これらを
考慮して、かつ、垂直駆動パルス振幅を標準転送と高速
転送の場合で同一であると仮定した場合、高速転送を行
なった場合の垂直CCDレジスタにおける消費電力は、
標準転送のみの場合の約7倍となる。例えば、通常の駆
動方法に基づく垂直CCDレジスタを有する固体撮像装
置において、垂直CCDレジスタの消費電力が4mW、
水平CCDレジスタの消費電力が40mW、および出力
増幅器の消費電力が45mW程度の固体撮像装置におい
て、上記のような高速転送を行なった場合には、合計の
消費電力は89mWから113mWに増大する。これに
よりデバイス温度が少なからず上昇し、暗電流や白キズ
のレベルが大きくなるという問題も発生する。
【0020】また、特開平1−253960号公報に開
示された方法においては、光電流が基板へ流れるため、
図11に示した固体撮像装置のように各画素の基板が共
通とされている場合には、各画素毎に光電流を検出する
ことが困難であるという問題がある。
【0021】本発明は上述したような従来の技術が有す
る問題点に鑑みてなされたものであって、消費電力を増
大することなくダイナミックレンジの拡大、低雑音化を
図ることのできる固体撮像装置およびその駆動方法を実
現することを目的とする。
【0022】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するに
は、高速転送を行なわないで入射光強度に対するダイナ
ミックレンジを拡大できるようにすればよい。このよう
な観点による上記目的を達成するための本発明の固体撮
像装置の駆動方法は、複数のフォトダイオードと、該フ
ォトダイオードの電荷を受け取って転送する垂直CCD
レジスタと、該垂直CCDレジスタからの電荷を受け取
って転送する水平CCDレジスタと、該水平CCDレジ
スタからの電荷を検出する電荷検出部と、出力増幅器と
を具備するとともに各フォトダイオード内で発生した過
剰電荷を半導体基板に掃き出す垂直オーバーフロードレ
イン構造とされた固体撮像装置の駆動方法であって、前
記フォトダイオードで光電変換された電荷が該フォトダ
イオードに蓄積されている期間内で、前記半導体基板の
印加電圧を低下させることを特徴とする。
【0023】この場合、前記フォトダイオードで光電変
換された電荷が該フォトダイオードに蓄積されている期
間内で、前記半導体基板の印加電圧を段階的に下げるこ
ととしてもよい。
【0024】また、前記フォトダイオードで光電変換さ
れた電荷が該フォトダイオードに蓄積されている期間内
で、前記半導体基板に印加された電圧を線形に下げるこ
ととしてもよい。
【0025】上記のいずれの場合においても、前記半導
体基板の印加電圧を、フォトダイオードブルーミングの
発生を防止するブルーミング抑制電圧まで下げることと
してもよい。
【0026】上記のように構成される本発明の作用につ
いて説明する。通常、基板電圧は、フォトダイオードブ
ルーミングを防止できる電圧に設定される。フォトダイ
オードブルーミングというのは、過剰な電荷がフォトダ
イオード内で発生した場合に、本来の読み出し期間より
前に、フォトダイオードから垂直CCDレジスタへ電荷
が漏れ込む現象である。フォトダイオードブルーミング
の発生を防ぐ方法の1つとして垂直オーバーフロードレ
イン構造がある。この構造は、フォトダイオードで発生
した過剰な電荷が、垂直CCDレジスタへ漏れ込む前に
N型半導体基板に掃き出す構造であり、この掃き出し動
作を行うときの基板電圧がブルーミング抑制電圧であ
る。
【0027】本発明では上記のようにフォトダイオード
内の電荷の一部を除去する動作が蓄積期間内に基板電圧
を変化させ、半導体基板に掃き出すことにより行なわれ
るので、垂直CCDレジスタの高速転送が不要となり、
消費電力の増大を回避できるものとなっている。
【0028】ところで、基板電圧の変化に伴い、再生画
像上において例えば画面の上側の領域が明るく、下側の
領域が暗いといったコントラスト段差の発生が生じる場
合がある。このような基板電圧変化に伴う再生画像上に
おけるコントラスト段差の発生を防ぐためには、電荷検
出しているときには基板電圧を変化させなければよい。
このような観点による本発明の他の形態による固体撮像
装置の駆動方法は、複数のフォトダイオードと、該フォ
トダイオードの電荷を受け取って転送する垂直CCDレ
ジスタと、該垂直CCDレジスタからの電荷を受け取っ
て転送する水平CCDレジスタと、該水平CCDレジス
タからの電荷を検出する電荷検出部と、出力増幅器とを
具備するとともに各フォトダイオード内で発生した過剰
電荷を半導体基板に掃き出す垂直オーバーフロードレイ
ン構造とされた固体撮像装置の駆動方法であって、前記
フォトダイオードで光電変換された電荷が該フォトダイ
オードに蓄積されている期間内の任意の水平ブランキン
グ期間内で、前記半導体基板にパルス電圧を印加し、フ
ォトダイオード内の電荷の一部を該半導体基板に掃き出
させることを特徴とする。
【0029】この場合、前記半導体基板の印加されるパ
ルス電圧が、フォトダイオードブルーミングの発生を防
止するブルーミング抑制電圧よりも高いこととしてもよ
い。
【0030】上記のように、任意の水平ブランキング期
間内に半導体基板にパルス電圧を印加することで、電荷
検出している最中には基板電圧の変化が生じない。した
がって、基板へのパルス印加によりたとえ出力増幅器の
動作点の変動および電荷検出部の電荷検出容量の変動が
生じたとしても、再生画像上にはコントラスト段差は発
生しない。
【0031】また、コントラスト段差の発生を防ぐため
の本発明による固体撮像装置は、複数のフォトダイオー
ドと、該フォトダイオードの電荷を受け取って転送する
垂直CCDレジスタと、該垂直CCDレジスタからの電
荷を受け取って転送する水平CCDレジスタと、該水平
CCDレジスタからの電荷を検出する電荷検出部と、出
力増幅器とを具備するとともに各フォトダイオード内で
発生した過剰電荷を半導体基板に掃き出す垂直オーバー
フロードレイン構造とされた固体撮像装置であって、第
1導電型の前記半導体基板内に設けられた出力増幅器、
および前記電荷検出部が形成されている第2導電型の不
純物ウェル層の接合深さが5〜10μmであり、かつ、
その不純物の平均濃度が1E15〜1E16cm-3であ
ることを特徴とする。
【0032】上記のように基板電圧の変化によるウェル
の表面近傍の空乏層形状への影響を排除できるので、出
力増幅器の動作点の変動および電荷検出部の電荷検出容
量の変動を防止できる。
【0033】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施例について図
面を参照して説明する。なお、本実施例は固体撮像装置
の駆動方法に関するものであり、使用する固体撮像装置
の単位画素の構造は、図11および図12に示した従来
技術のものと同様であるために、以下の説明においては
図11および図12の符号を用いて説明する。
【0034】図1は、本発明の第1の実施例の固体撮像
装置の駆動方法における、垂直転送電極120に印加さ
れるクロックパルス波形およびN型半導体基板111に
印加される電圧波形のタイミング図である。なお、P型
不純物ウェル層112は接地されており、各電圧はこの
電位を基準に表されている。また、図2(a)〜図2
(c)は、それぞれ図1の時刻ta、tb、およびtr
におけるフォトダイオード101および垂直CCDレジ
スタ102内の電荷の蓄積状態を示す模式図である。
【0035】期間Paでは基板電圧VSUBaが印加さ
れており、期間Paの任意の時刻taでは、図2(a)
に示すように、フォトダイオード101には光電変換さ
れた電荷のうち、基板に掃き出されない電荷Qaが蓄積
されている。なお、この時、垂直CCDレジスタ102
では1フィールド前にフォトダイオード101から垂直
CCDレジスタに読み出された電荷の転送が行なわれて
いる。
【0036】続く期間Pbでは基板電圧VSUBaより
も低い基板電圧VSUBbが印加されており、期間Pb
の任意の時刻tbでは、図2(b)に示すように、フォ
トダイオード101には、期間Pbの開始時刻から時刻
tbまでに光電変換された電荷のうち、基板に掃き出さ
れない電荷Qbが、電荷Qaに重畳して蓄積されてい
る。
【0037】垂直ブランキング期間Pblの任意の時刻
trでは、図2(c)に示すように、垂直転送電極12
0に読み出しパルスVrが印加され、フォトダイオード
101内に蓄積されていた全ての電荷(Qa+Qb)が
垂直CCDレジスタ102へ読み出される。なお、読み
出しパルスVrの電圧は図13における読み出しパルス
Vr2の電圧と同様である。読み出された電荷は、次の
フィールドの垂直有効期間に順次水平CCDレジスタ1
03へ転送され、電荷検出部104、および出力増幅器
105を経て出力される。
【0038】ここで、基板電圧VSUBaおよびVSU
Bbと、電荷QaおよびQbとの関係を説明する。図3
は、フォトダイオードに蓄積可能な電荷量の基板電圧依
存性である。通常、基板電圧は、フォトダイオードブル
ーミングを防止できる電圧に設定される。フォトダイオ
ードブルーミングというのは、過剰な電荷がフォトダイ
オード内で発生した場合に、本来の読み出し期間より前
に、フォトダイオードから垂直CCDレジスタへ電荷が
漏れ込む現象であり、再生画面上では、縦方向の白線と
して観測される。
【0039】フォトダイオードブルーミングの発生を防
ぐ方法の1つとして垂直オーバーフロードレイン構造が
ある。この構造は、フォトダイオード101で過剰な電
荷が発生した場合に、電荷が垂直CCDレジスタ102
へ漏れ込む前にN型半導体基板111に掃き出されるよ
うに、基板電圧を上げてフォトダイオード101を構成
するN型不純物層113下部のP型不純物ウェル層11
2部分の電位障壁を低くするというものである。本実施
例では、このブルーミング抑制電圧がVSUBbとな
る。なお、図13で示した従来の固体撮像装置における
VSUB1はVSUBbと同様である。
【0040】図3からわかるように、基板電圧を高くす
るとフォトダイオードに蓄積可能な電荷量が減少する。
期間PaではVSUBaが印加されているので、最大で
Qmaの電荷が蓄積でき、光電変換されたそれ以上の電
荷は基板に掃き出される。つまり、Qa≦Qmaであ
る。期間PbではVSUBbが印加されているので、最
大でQmbの電荷が蓄積できる。つまり、Qa+Qb≦
Qmbである。なお、VSUBaおよびVSUBbの具
体的な値としては、例えばそれぞれ10V前後、5V前
後である。
【0041】図4は、本発明の第1の実施例の固体撮像
装置の駆動方法における光電変換特性の模式図である。
比較のために、図15と同様に、一般的な駆動を行なっ
た場合の特性もあわせて示している。本実施例の固体撮
像装置の駆動を行なった場合の曲線のニーポイントKa
は、一般的な駆動を行なった場合のニーポイントK1よ
りも、より弱い入射光強度に対応している。入射光強度
Laに対応した出力Vaは、基板電圧VSUBaが印加
された時にフォトダイオードに蓄積可能な最大の電荷量
Qmaに相当する。また、入射光強度La〜Lbの範囲
の曲線の傾きは、La以下の範囲の曲線の傾きに比べ
て、図1に示すPb/(Pa+Pb)の比率分だけ小さ
くなる。したがって、入射光強度に対するダイナミック
レンジを拡大する従来の駆動方法と同様に、一般的な駆
動の場合に比べて、より大きな入射光強度に対しても1
対1対応の出力が得られる。例えば図4の場合には、入
射光強度に対するダイナミックレンジがLbまで拡大さ
れている。
【0042】上記のように、本実施例に基づく駆動方法
によれば、高速転送をすることなく入射光強度に対する
ダイナミックレンジを拡大することが可能となる。
【0043】図1〜図4を用いて説明した実施例では、
基板電圧をVSUBaからVSUBbに2通りに変化さ
せる場合を説明したが、本発明による方法は2つの基板
電圧に特に限定されるものではない。
【0044】図5は、本発明の第2の実施例の固体撮像
装置の駆動方法における、垂直転送電極120に印加さ
れるクロックパルス波形およびN型半導体基板111に
印加される電圧波形のタイミング図である。期間Pc、
Pd、およびPeでは、それぞれ基板電圧VSUBc、
VSUBd、VSUBeが印加されている。
【0045】図6は、本発明の第2の実施例の固体撮像
装置の駆動方法における光電変換特性の模式図である。
入射光強度LcおよびLdにおいて、2つのニーポイン
トKcおよびKdが形成される。入射光強度Lc〜Ld
の範囲の曲線の傾きは、Lc以下の範囲の曲線の傾きに
比べて、図5に示す(Pd+Pe)/(Pc+Pd+P
e)の比率分だけ小さくなる。また、入射光強度Ld〜
Leの範囲の曲線の傾きは、Lc以下の範囲の曲線の傾
きに比べて、図5に示すPe/(Pc+Pd+Pe)の
比率分だけ小さくなる。
【0046】上記のように、入射光強度が大きくなるに
つれて傾きを徐々に小さくすることが可能であり、各々
の入射光強度範囲に対する感度を個別に調整できるとい
う利点がある。
【0047】次に、電荷蓄積期間を無限個の期間にわけ
た場合を考える。これは、近似的に、電荷蓄積期間にお
いて基板電圧を線形に変化させた場合と等価である。図
7は、本発明の第3の実施例の固体撮像装置の駆動方法
における、垂直転送電極120に印加されるクロックパ
ルス波形およびN型半導体基板111に印加される電圧
波形のタイミング図である。基板電圧は、時刻tfから
時刻tgにかけて、VSUBfからVSUBgまで線形
に変化している。なお、読み出しパルスVrの印加され
ている期間は、基板にはVSUBgが印加されている。
【0048】図8は、本発明の第3の実施例の固体撮像
装置の駆動方法における光電変換特性の模式図である。
入射光強度がLf以下では一般的な駆動の場合と同様な
傾きを有する直線となっており、入射光強度がLfから
Lgの範囲では無限個のニーポイントが存在するため、
滑らかな曲線となっている。このように、入射光強度が
大きくなるにつれて傾きを滑らかにに小さくすることが
可能であり、入射光強度に対する感度を滑らかに調整で
きるという利点がある。
【0049】ところで、例えば第1の実施例に基づく駆
動方法では、図1に示すように、蓄積期間中の任意の時
刻tbにおいて基板電圧がVSUBaからVSUBbに
変化している。フォトダイオードで電荷を蓄積している
期間では、1フィールド前にフォトダイオードから読み
出された電荷の検出が、水平CCDレジスタ、電荷検出
部、および出力増幅器を介して行なわれているので、基
板電圧の変化により出力増幅器の動作点が変動したり、
電荷検出部の容量が変動することもありうる。
【0050】例えば、出力増幅器の動作点の電圧が低く
なった場合には、再生画像上においては像が暗くなるた
めにコントラスト段差が発生し、著しく画質を劣化させ
る。このような画像劣化を防ぐには、基板電圧が変化し
ても、出力増幅器、および電荷検出部のチャネル部近傍
の空乏層の形状に変化が生じないようにすればよい。
【0051】図9(a)、(b)は、それぞれ本発明の
第4の実施例の固体撮像装置における出力増幅器を構成
する任意のトランジスタ部分の構造を示す断面図、およ
び電荷検出部近傍の構造を示す断面図である。
【0052】まず、それぞれの構成を説明する。図9
(a)において、N型半導体基板111の一主面上にP
型不純物ウェル層121が形成されており、その内部に
は、ソースおよびドレインとなるN+型不純物層122
が形成されている。さらに、二酸化シリコン膜やシリコ
ン窒化膜などからなる絶縁膜119を介して、ポリシリ
コン膜などからなるゲート電極123が形成されてい
る。なお、ゲート電極123の下部のチャネルには、し
きい値電圧調節のための不純物層(図示しない)が形成
される場合もある。
【0053】図9(b)において、N型半導体基板11
1の一主面上にP型不純物ウェル層121が形成されて
おり、その内部には、チャネルとなるN型不純物層12
4、およびN+型不純物層からなるリセットドレイン1
25が形成されている。さらに、二酸化シリコン膜やシ
リコン窒化膜などからなる絶縁膜119を介して、ポリ
シリコン膜などからなる水平転送電極126、出力ゲー
ト電極127、およびリセットゲート電極128が形成
されている。出力ゲート電極127とリセットゲート電
極128との間のチャネル部分が浮遊拡散層129とな
る。なお、浮遊拡散層129と出力増幅器の初段ドライ
バ用トランジスタのゲートとの間の配線は省略されてい
る。なお、これら以外の部分の構成、および駆動方法
は、第1の実施例と同様である。
【0054】図9(a)、(b)において、例えばN型
半導体基板111の不純物濃度が1E14cm-3程度、
N型不純物層124の接合深さ、および不純物濃度が、
それぞれ0.5μm、および5E16cm-3程度である
場合、P型不純物ウェル層121の深さを5〜10μ
m、かつ、その不純物の平均濃度を1E15〜1E16
cm-3とすることで、例えば、基板電圧が20V程度ま
で変化したとしても、P型不純物ウェル層121が完全
に空乏化することはなく、出力増幅器の動作点の変動
や、電荷検出部104の容量の変動は生じない。なお、
通常、水平CCDレジスタ103と電荷検出部104と
は共通のP型不純物ウェル層121内に形成されること
を考慮すると、P型不純物ウェル層121の不純物の平
均濃度を1E16cm-3より大きくすることは、水平C
CDレジスタ103の転送効率の劣化をまねく恐れがあ
ること、および電荷検出容量が増大することから好まし
くない。
【0055】次に、基板電圧の変化による再生画像上に
おけるコントラスト段差を防止する他の方法を示す。図
10(a)は、本発明の第5の実施例の固体撮像装置の
駆動方法における、垂直転送電極120に印加されるク
ロックパルス波形、およびN型半導体基板111に印加
される電圧波形のタイミング図であり、図10(b)は
N型半導体基板111に印加される電圧波形の拡大図で
ある。
【0056】フォトダイオード101内の一部の電荷の
掃き出しは、電荷蓄積期間内の時刻thに半導体基板1
11にパルス電圧VSUBhを印加することにより行な
う。ただし、図10(a)に示すようにこのパルスは水
平ブランキング期間内に印加する。これにより、電荷検
出の行なわれる水平有効期間には常に一定の基板電圧V
SUBiが印加されることになる。したがって、基板へ
のパルス印加により出力増幅器の動作点の変動および電
荷検出部の電荷検出容量の変動がたとえ生じたとして
も、原理的に再生画像上にはコントラスト段差は発生し
ない。ここで、基板電圧VSUBhおよびVSUBiの
値を、それぞれ図1におけるVSUBaおよびVSUB
bと同一にし、かつ、パルスを印加する時刻thを、図
1における基板電圧がVSUBaからVSUBbへ遷移
する時刻と同時刻とすることで、図4と同様な光電変換
特性が得られる。
【0057】なお、本実施例と類似する技術としては特
開昭63−105579号公報に開示された技術があ
る。該公報に開示される電子シャッターという技術は電
気的な露出時間を制御するという目的からフォトダイオ
ード内のすべての電荷を基板に掃き出すのに対し、本実
施例はダイナミックレンジを拡大するという目的から電
荷の一部のみ基板に掃き出すという点で異なっている。
【0058】
【発明の効果】本発明によれば、フォトダイオード内の
電荷の一部を除去する動作を、フォトダイオードにおけ
る電荷蓄積期間内で基板電圧を変化させ、半導体基板に
掃き出すことにより行なうことにより、垂直CCDレジ
スタの高速転送は不要となるので消費電力の増大を回避
でき、デバイスの発熱による暗電流や白キズレベルの上
昇は生じることなくダイナミックレンジを拡大すること
ができる効果がある。
【0059】また、電荷蓄積期間中の任意の水平ブラン
キング期間内で半導体基板にパルス電圧を印加して一部
の電荷を掃き出すことで、電荷検出しているときには基
板電圧の変化が生じないものとすることができる。した
がって、基板へのパルス印加によりたとえ出力増幅器の
動作点の変動および電荷検出部の電荷検出容量の変動が
生じても、再生画像上にはコントラスト段差は発生しな
いものとすることができる効果がある。
【0060】さらに、出力増幅器、および電荷検出部の
設けられたウェルの深さを5〜10μmとし、かつ、そ
の不純物の平均濃度を1E15〜1E16cm-3とする
ことで、基板電圧の変化によるチャネル部近傍の空乏層
の形状への影響を排除することができ、出力増幅器の動
作点の変動および電荷検出部の電荷検出容量の変動を防
止できる。これにより再生画像上にコントラスト段差が
発生しないものとすることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例の固体撮像装置の駆動方
法における、垂直転送電極120に印加されるクロック
パルス波形およびN型半導体基板111に印加される電
圧波形のタイミング図である。
【図2】図1の時刻ta、tb、およびtrにおけるフ
ォトダイオード101および垂直CCDレジスタ102
内の電荷の蓄積状態を示す模式図である。
【図3】フォトダイオードに蓄積可能な電荷量の基板電
圧依存性を示す図である。
【図4】本発明の一実施例の固体撮像装置の駆動方法に
おける、光電変換特性の模式図である。
【図5】本発明の第2の実施例の固体撮像装置の駆動方
法における、垂直転送電極120に印加されるクロック
パルス波形およびN型半導体基板111に印加される電
圧波形のタイミング図である。
【図6】本発明の第2の実施例の固体撮像装置の駆動方
法における、光電変換特性の模式図である。
【図7】本発明の第3の実施例の固体撮像装置の駆動方
法における、垂直転送電極120に印加されるクロック
パルス波形およびN型半導体基板111に印加される電
圧波形のタイミング図である。
【図8】本発明の第3の実施例の固体撮像装置の駆動方
法における、光電変換特性の模式図である。
【図9】本発明の第4の実施例の固体撮像装置におけ
る、出力増幅器を構成する任意のトランジスタの断面
図、および電荷検出部近傍の断面図である。
【図10】(a)は本発明の第5の実施例の固体撮像装
置の駆動方法における、垂直転送電極120に印加され
るクロックパルス波形、およびN型半導体基板111に
印加される電圧波形のタイミング図、(b)はクロック
パルス波形の拡大図である。
【図11】従来のインターライン転送型CCD撮像像装
置の構成図である。
【図12】単位画素106の水平方向の断面図である。
【図13】従来の駆動方法における垂直転送電極120
に印加されるクロックパルス波形およびN型半導体基板
111に印加される電圧波形のタイミング図である。
【図14】図13の時刻t1〜t4におけるフォトダイ
オード101および垂直CCDレジスタ102内の電荷
の蓄積状態を示す模式図である。
【図15】図13に基づくダイナミックレンジの拡大駆
動を行なった場合の光電変換特性の模式図である。
【符号の説明】
101 フォトダイオード 102 垂直CCDレジスタ 103 水平CCDレジスタ 104 電荷検出部 105 出力増幅器 106 単位画素 111 N型半導体基板 112、121 P型不純物ウェル層 113 N型不純物層 114 P+型不純物層 115、124 N型不純物層 116 P型不純物層 117 P+型素子分離層 118 読み出しゲート領域 119 絶縁膜 120 垂直転送電極 122 N+型不純物層 123 ゲート電極 125 リセットドレイン 126 水平転送電極 127 出力ゲート電極 128 リセットゲート電極 129 浮遊拡散層

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数のフォトダイオードと、該フォトダ
    イオードの電荷を受け取って転送する垂直CCDレジス
    タと、該垂直CCDレジスタからの電荷を受け取って転
    送する水平CCDレジスタと、該水平CCDレジスタか
    らの電荷を検出する電荷検出部と、出力増幅器とを具備
    するとともに各フォトダイオード内で発生した過剰電荷
    を半導体基板に掃き出す垂直オーバーフロードレイン構
    造とされた固体撮像装置の駆動方法であって、 前記フォトダイオードで光電変換された電荷が該フォト
    ダイオードに蓄積されている期間内で、前記半導体基板
    の印加電圧を低下させることを特徴とする固体撮像装置
    の駆動方法。
  2. 【請求項2】 複数のフォトダイオードと、該フォトダ
    イオードの電荷を受け取って転送する垂直CCDレジス
    タと、該垂直CCDレジスタからの電荷を受け取って転
    送する水平CCDレジスタと、該水平CCDレジスタか
    らの電荷を検出する電荷検出部と、出力増幅器とを具備
    するとともに各フォトダイオード内で発生した過剰電荷
    を半導体基板に掃き出す垂直オーバーフロードレイン構
    造とされた固体撮像装置の駆動方法であって、 前記フォトダイオードで光電変換された電荷が該フォト
    ダイオードに蓄積されている期間内で、前記半導体基板
    の印加電圧を段階的に下げていくことを特徴とする固体
    撮像装置の駆動方法。
  3. 【請求項3】 複数のフォトダイオードと、該フォトダ
    イオードの電荷を受け取って転送する垂直CCDレジス
    タと、該垂直CCDレジスタからの電荷を受け取って転
    送する水平CCDレジスタと、該水平CCDレジスタか
    らの電荷を検出する電荷検出部と、出力増幅器とを具備
    するとともに各フォトダイオード内で発生した過剰電荷
    を半導体基板に掃き出す垂直オーバーフロードレイン構
    造とされた固体撮像装置の駆動方法であって、 前記フォトダイオードで光電変換された電荷が該フォト
    ダイオードに蓄積されている期間内で、前記半導体基板
    に印加された電圧を線形に下げていくことを特徴とする
    固体撮像装置の駆動方法。
  4. 【請求項4】 請求項2または請求項3に記載の固体撮
    像装置の駆動方法において、 前記半導体基板の印加電圧を、フォトダイオードブルー
    ミングの発生を防止するブルーミング抑制電圧まで下げ
    ることを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
  5. 【請求項5】 複数のフォトダイオードと、該フォトダ
    イオードの電荷を受け取って転送する垂直CCDレジス
    タと、該垂直CCDレジスタからの電荷を受け取って転
    送する水平CCDレジスタと、該水平CCDレジスタか
    らの電荷を検出する電荷検出部と、出力増幅器とを具備
    するとともに各フォトダイオード内で発生した過剰電荷
    を半導体基板に掃き出す垂直オーバーフロードレイン構
    造とされた固体撮像装置の駆動方法であって、 前記フォトダイオードで光電変換された電荷が該フォト
    ダイオードに蓄積されている期間内の任意の水平ブラン
    キング期間内で、前記半導体基板にパルス電圧を印加
    し、フォトダイオード内の電荷の一部を該半導体基板に
    掃き出させることを特徴とする固体撮像装置の駆動方
    法。
  6. 【請求項6】 請求項5に記載の固体撮像装置の駆動方
    法において、 前記半導体基板の印加されるパルス電圧が、フォトダイ
    オードブルーミングの発生を防止するブルーミング抑制
    電圧よりも高いことを特徴とする固体撮像装置の駆動方
    法。
  7. 【請求項7】 複数のフォトダイオードと、該フォトダ
    イオードの電荷を受け取って転送する垂直CCDレジス
    タと、該垂直CCDレジスタからの電荷を受け取って転
    送する水平CCDレジスタと、該水平CCDレジスタか
    らの電荷を検出する電荷検出部と、出力増幅器とを具備
    するとともに各フォトダイオード内で発生した過剰電荷
    を半導体基板に掃き出す垂直オーバーフロードレイン構
    造とされた固体撮像装置であって、 第1導電型の前記半導体基板内に設けられた出力増幅
    器、および前記電荷検出部が形成されている第2導電型
    の不純物ウェル層の接合深さが5〜10μmであり、か
    つ、その不純物の平均濃度が1E15〜1E16cm-3
    であることを特徴とする固体撮像装置。
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